用于转炉倾动变频系统的主从控制方法

摘要

本发明公开了一种用于转炉倾动变频系统的主从控制方法，用于对转炉倾动系统中电机的变频系统进行控制。该方法将转炉倾动系统中的四个交流异步电机分别连接第一变频器、第二变频器、第三变频器和第四变频器，所述四个变频器为西门子S120系列变频器；所述四台变频器通过SINAMICS Link网络进行等时同步通信；将所述四台变频器中的一台变频器用作主控制，其它至少一台变频器用作从控制。本发明采用西门子S120系列变频器，通过SINAMICS Link等时同步网络进行通讯，将通讯延迟限定在3ms内。此外，利用S120系列变频器自身的逻辑运算功能，能够更精确的直接采集数据和处理数据，大大提高了控制精度。

说明书

技术领域

本发明涉及变频器的主从控制，具体地指一种用于转炉倾动变频系统 的主从控制方法。

背景技术

转炉倾动系统是转炉炼钢中最主要的一个环节，在氧气顶底复吹转炉 炼钢过程中，炉体的平稳倾动及准确定位，直接影响到转炉兑铁水、 吹炼、加料、出钢、倒渣、修炉等一系列工艺过程完成的质量。转炉 倾动系统作业具有低速、重载、正反转、频繁启制动、强烈冲击，承 受较大的动负荷、工作条件恶劣等特点。此外，由于转炉倾动机构是 采用全悬挂四点啮合柔性传动，四台驱动电机与减速机刚性连接，因 此，必须很好地控制四台驱动电机出力的同步性，让减速机的使用寿 命增加，保证炉体的平稳倾动，使得炼钢过程得以顺利进行。

现有的转炉倾动系统采用的变频器只存在有限的自由功能块，难以满 足复杂的控制逻辑需要，所以在转炉倾动控制中将逻辑控制部分尽可 能的交给PLC处理。对于变频器而言，PLC的逻辑控制能力较弱，并不 能满足复杂通讯和控制的需要。但是随着对炼钢工艺要求的提高，转 炉倾动系统需要更高的响应速度和控制精度，而PLC是通过DP总线与变 频器进行通讯，无论是数据的传输延迟上还是信号抗干扰能力上，都 成为其硬伤，并不能有效的提升倾动控制系统的整体性能。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种用于转炉倾动 变频系统的主从控制方法，该主从控制方法利用变频器自身的逻辑运 算功能，能够更精确的直接采集数据和处理数据，大大提高控制能力 。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种用于转炉倾动变频系统的主 从控制方法，包括：

将转炉倾动系统中的四个交流异步电机分别连接第一变频器、第二变 频器、第三变频器和第四变频器，将所述四台变频器通过网络连接， 进行等时同步通信，将所述四台变频器中的一台变频器用作主控制， 其它至少一台变频器用作从控制；

所述第一变频器包括第一控制单元和第一功率单元，第二变频器包括 第二控制单元和第二功率单元，第三变频器包括第三控制单元和第三 功率单元，第四变频器包括第四控制单元和第四功率单元，所述第一 控制单元、第二控制单元、第三控制单元和第四控制单元上的接口板 通过串接组成所述网络。

本发明用作从控制的变频器使用功能块来选择转矩是自身的速度调节 器的输出还是其他主机的转矩输出。

由于四个变频器之间是通过SINAMICS Link网络进行等时同步通信， 需要对数据通讯格式进行设置。然后，通过DCC编程的方式实现主机和 从机各项数据同步过程中的逻辑，从而使得倾炉传动系统运行的实时 性、稳定性和可靠性都能达到最优。

本发明采用西门子S120系列变频器，通过SINAMICS Link等时同步网 络进行通讯，将通讯延迟限定在3ms内。此外，利用S120系列变频器自 身的逻辑运算功能，能够更精确的直接采集数据和处理数据，大大提 高了控制精度。

附图说明

图1为本发明用于转炉倾动设备中的传动控制系统的结构框图；

图2为第一变频器的控制流程图；

图3为第二变频器的控制流程图；

图4为第三变频器的控制流程图；

图5为第四变频器的控制流程图；

图6为控制字bit0启动示意图；

图7为控制字bit3启动示意图；

图8为主从控制切换示意图；

图9为转矩选择功能块连接示意图；

图10为抱闸同步功能块示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明用于转炉倾动变频系统的主从控制方法，是对转炉倾动系统中 电机的变频系统进行控制，从而使连接于电机的传动系统具有稳定的 同步性。

如图1所示，本发明涉及的转炉倾动变频控制系统包括第一交流异步电 机500及与其连接的第一变频器100，第二交流异步电机600及与其连接 的第二变频器200，第三交流异步电机700及与其连接的第三变频器30 0，第四交流异步电机800及与其连接的第四变频器400，第一变频器1 00包括第一控制单元101和第一功率单元102，第二变频器200包括第二 控制单元201和第二功率单元202，第三变频器300包括第三控制单元3 01和第三功率单元302，第四变频器400包括第四控制单元401和第四功 率单元402。  第一控制单元101上的CBE20接口板通过DRIVE-CLiQ与 第二控制单元201的CBE20接口板连接，第二控制单元201的CBE20接口 板通过DRIVE-CLiQ与第三控制单元301的CBE20接口板连接，第三控制 单元301的CBE20接口板通过DRIVE-CLiQ与第四控制单元401的CBE20接 口板连接，四个控制单元串接组成SINAMICS Link等时同步网络。SI NAMICS Link通讯方式是德国西门子公司在SINAMICS传动产品中用于 实现传动装置从站之间数据交换的一种通讯方式，DRIVE-CLiQ为一种 传动接口，用于S120变频器及内部模块之间的连接，SINAMICS Link 和DRIVE-CLiQ均为本领域现有技术，此处不再赘述。

第一交流异步电机500设有第一编码器501，第一编码器501单独配置有 第一编码器模块502，第一编码器模块502通过DRIVE-CLiQ与第一功率 单元102连接。第二交流异步电机600设有第二编码器601，第二编码器 601单独配置有第二编码器模块602，第二编码器模块602通过DRIVE-C LiQ与第二功率单元202连接。第三交流异步电机700设有第三编码器7 01，第三编码器701单独配置有第三编码器模块702，第三编码器模块 702通过DRIVE-CLiQ与第三功率单元302连接。第四交流异步电机800设 有第四编码器801，第四编码器801单独配置第四编码器模块802，第四 编码器模块802通过DRIVE-CLiQ与第四功率单元402连接。

本实施例中，第一变频器100、第二变频器200、第三变频器300和第三 四变频器400为西门子S120系列变频器，其中第一控制单元101、第二 控制单元201、第三控制单元301和第四控制单元401均为CU320-2 DP 控制单元。第一功率单元102、第二功率单元202、第三功率单元302和 第四功率单元402均为PM340功率单元。第一编码器模块502、第二编码 器模块602、第三编码器模块702、第四编码器模块802为smc30编码器 模块。

本发明方法将所述四台变频器中的一台变频器用作主控制，要求四台 变频器按装置顺序进行切换，当用作主控制的第一变频器100出现故障 ，切换至第二变频器200为主控制；当第二变频器200出现故障，切换 至第三变频器300为主控制；至少保证2台变频器同时运行，超过2台装 置故障，则倾动系统停车。因此，本发明要求传动系统中四台变频器 在能够切换主机的同时，达到一主带三从、一主带二从或者一主带一 从的控制方式。

由于四台变频器之间的通讯是通过SINAMICS Link网络，所以对同步 网络的数据通讯格式进行如下表1的定义：

表1

表1以及附图中的1#代表第一变频器100，2#代表第二变频器200，3#代 表第三变频器300，4#代表第四变频器400。

实现上表1数据通讯格式方案，需要分别对每台变频器控制单元的专家 参数列表进行设置，以下做详细的说明。

为了确认4台变频器的主从身份，需要定义一种数据格式，能够使得变 频器通过解析来完成主从控制的功能。即二进制1110表示1#机为主， 1101表示2#机为主，1011表示3#机为主。如图8所示，r8890.1，r889 2.1，r8893.1分别对应1#机、2#机、3#机的ready to run状态。块 13、20、21的输出端即为主从选择位，分别连接图9中块2的输入I1、 I2、I3。

为了将控制单元的SINAMICS Link网络激活，同时定义满足通讯要求 的报文格式，通过IF1/IF2接口PZD功能选择参数p8815设置IF1接口报 文通道模式为profisafe，IF2接口报文通道模式为isochronous；将C BE20固件选择参数p8835设为3，启用CBE20接口的SINAMICS Link网络 。

通过SINAMICS Link站地址参数p8836分别设置四个控制单元的SINAM ICS Link站地址，其中， 

通过IF1/IF2接口PZD功能选择参数p8815设置IF1接口报文通道模式为 profisafe，IF2接口报文通道模式为isochronous；

通过p8839设置报文通道IF1，IF2对应的硬件接口，其中IF1接口定义 标准报文，IF2接口只能定义自由报文，即定义p8839[0]为control  unit onboard(Profibus DP，集成在控制单元上的DP接口)，p8839 [1]为COMM board（控制单元的选件板接口）；

p8870为PZD报文接收缓冲区编号，设置第二变频器的p8870[0]=1， p8870[3]=2，p8870[4]=3，第三变频器的p8870[0]=1，p8870[1]=1， p8870[3]=2，p8870[4]=3，p8870[5]=2，p8870[6]=3，第四变频器的 p8870[0]=1，p8870[1]=1，p8870[2]=1，p8870[3]=2，p8870[4]=3， p8870[5]=2，p8870[6]=3，p8870[7]=2，p8870[8]=3； 

p8871为PZD报文发送缓冲区编号，设置第一变频器的p8871[0]=1，p8 871[1]=2，p8871[2]=3，第二变频器的p8871[0]=1，p8871[1]=2，p8 871[2]=3，第三变频器的p8871[0]=1，p8871[1]=2，p8871[2]=3；

p8872为PZD报文接收缓冲区对应数据来源的节点地址，设置第二变频 器的p8872[0]=1，p8872[3]=1，p8872[4]=1，设置第三变频器的p887 2[0]=1，p8872[1]=2，p8872[3]=1，p8872[4]=1，p8872[5]=2，p887 2[6]=2，设置第四变频器的p8872[0]=1，p8872[1]=2，p8872[2]=3， p8872[3]=1，p8872[4]=1，p8872[5]=2，p8872[6]=2，p8872[7]=3， p8872[8]=3。

下面分别说明对每台变频器的控制流程。

如图2所示，对第一变频器100按照以下步骤进行控制：

若第一变频器100无故障，且第二变频器200、第三变频器300和第四变 频器400没有全故障，则所述第一变频器100工作在速度环，将第一变 频器速度PI调节器输出转矩和状态字放入到缓冲区；

第一变频器100接收PLC控制字完成启动或停止。

如图3所示，对第二变频器200按照以下步骤进行控制：

若第二变频器200无故障，第一变频器100无故障，则第二变频器200工 作在转矩环，将第一变频器100的输出转矩作为第二变频器200的转矩 输入，将第一变频器100的抱闸信号作为第二变频器200抱闸输出，将 第二变频器200的速度PI调节器输出转矩和状态字放入到缓冲区，第二 变频器200接收PLC控制字完成启动或停止；

若第二变频器200无故障，第一变频器100有故障，且第三变频器300和 第四变频器400没有全故障，则第二变频器200工作在速度环，将第二 变频器200的抱闸信号作为第二变频器200抱闸输出，将第二变频器20 0 的速度PI调节器输出转矩和状态字放入到缓冲区；第二变频器200接收 PLC控制字完成启动或停止。

如图4所示，对第三变频器300按照以下步骤进行控制：

若第三变频器300无故障，第一变频器100无故障，则第三变频器300工 作在转矩环，将第一变频器100的输出转矩作为第三变频器300的转矩 输入，将第一变频器100的抱闸信号作为第三变频器300抱闸输出，将 第三变频器300的速度PI调节器输出转矩和状态字放入到缓冲区，第三 变频器300接收PLC控制字完成启动或停止；

若第三变频器300无故障，第一变频器100有故障，如第二变频器200无 故障，则第三变频器300工作在转矩环，将第二变频器200的输出转矩 作为第三变频器300的转矩输入，将第二变频器200的抱闸信号作为第 三变频器300抱闸输出，将第三变频器300的速度PI调节器输出转矩和 状态字放入到缓冲区，第三变频器300接收PLC控制字完成启动或停止 ；

若第三变频器300无故障，第一变频器有故障，第二变频器有故障，且 第四变频器400无故障，则第三变频器300工作在速度环，将第三变频 器300的抱闸信号作为第三变频器300抱闸输出，将第三变频器300的速 度PI调节器输出转矩和状态字放入到缓冲区，第三变频器300接收PLC 控制字完成启动或停止。 

如图5所示，对所述第四变频器400按照以下步骤进行控制：

若第四变频器400无故障，第一变频器100无故障，则第四变频器400工 作在转矩环，将第一变频器100的输出转矩作为第四变频器400的转矩 输入，将第一变频器100的抱闸信号作为第四变频器400抱闸输出，将 第四变频器400状态字放入缓冲区；第四变频器400接收PLC控制字完成 启动或停止；

若第四变频器400无故障，第一变频器100有故障，如第二变频器200无 故障，则第四变频器400工作在转矩环，将第二变频器200的输出转矩 作为第四变频器400的转矩输入，将第二变频器200的抱闸信号作为第 四 变频器400抱闸输出，将第四变频器400状态字放入到缓冲区；第四变 频器400接收PLC控制字完成启动或停止；

若第四变频器400无故障，第一变频器100有故障，第二变频器200有故 障，且第三变频器300无故障，则第四变频器400工作在转矩环，将第 三变频器300的输出转矩作为第四变频器的转矩输入，将第三变频器3 00的抱闸信号作为第四变频器400抱闸输出，将第四变频器400状体放 入到缓冲区；第四变频器400接收PLC控制字完成启动或停止。

由于转炉倾动系统采用的是交流电机，相比直流驱动方式而言，启动 响应速度偏慢。但是对于转炉的启动速度，工艺上要求越快越好，所 以主机从报文通道if1口接收PLC发送过来的控制字中，选用控制字第 3位bit3（operation enable）来控制启停，摒弃掉传统的bit0（on /off1）控制启停方式。该方法不仅可以避免操作工使用转炉揺柄频繁 启停所造成的变频器过流和超速故障，还可以跳过直流预充电过程， 直接建立励磁电流，启动时间节省约为1s，如图6和图7所示。

为了确认4台变频器的主从身份，需要定义一种数据格式，能够使得变 频器通过解析来完成主从控制的功能。即二进制1110表示第一变频器 100为主，1101表示第二变频器200为主，1011表示第三变频器300为主 。如图8所示，r8890.1，r8892.1，r8893.1分别对应第一变频器100， 第二变频器200和第三变频器300的ready to run状态。块19、20、 21的输出端分别连接块2的输入I1、I2、I3。

从机可以使用UX8和B_W功能块来选择转矩是自身的速度调节器的输出 还是其他主机的转矩输出。B_W功能块意思为Converter 16 binary  variables to status word，位字传换器；MUX8功能块的意思为 Multiplexer，多路复用器，该功能块是S120变频器DCC编程功能中提 供的函数块，能够实现数据选择逻辑。如图9所示，B_W功能块输入引 脚分别连接的是主从选择控制字前3位，MUX8功能块的引脚X3、X5、X 6分别对应外部的转矩，具体为：将第二变频器的X6连接第一变频器的 转矩输出；将第三变 频器的X6连接第一变频器的转矩输出，将X5连接第二变频器的转矩输 出；将第四变频器的X6连接第一变频器的转矩输出，将X5连接第二变 频器的转矩，将X3连接第三变频器的转矩输出。4台变频器的抱闸全部 由主机决定，同样采用DCC来实现选择逻辑，如图10所示。图中BSW块 5、6、7分别对应第一变频器100，第二变频器200和第三变频器300， 同时实现开关量二选一的功能。他们的输入I脚分别连接的是主从选择 位，输入I1脚分别连接块所对应变频器开抱闸信号。当接收到为主信 号，即I脚为0时，就可以让自身的抱闸信号通过功能块顺序传递到最 后的输出，直接连向本装置所控制的24V抱闸继电器。这样就使得所有 装置的开关抱闸绝对同步，有效避免了炉体启动和停止时的点头现象 ，同时还保护了齿轮箱和机械抱闸。

本发明利用西门子S120系统变频器SINAMICS Link网络创建了有效的 数据存储和通讯格式，同时通过DCC编程的方式实现主机和从机各项数 据同步过程中的逻辑，从而使得倾炉传动系统运行的实时性、稳定性 和可靠性都能达到最优。